專利名稱：鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及鐵路運(yùn)行安全監(jiān)測領(lǐng)域，具體地涉及監(jiān)測鐵路的軌道安全方面。更具體地，本實(shí)用新型涉及監(jiān)測鐵路鋼軌的溫度狀況。
背景技術(shù)：
目前，鐵路系統(tǒng)正處在迅速建設(shè)和發(fā)展的時期，隨著高速鐵路網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，技術(shù)裝備水平也快速提升，速度提升及運(yùn)力加大。同時，鐵路運(yùn)輸安全也面臨更多的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。鐵路周邊環(huán)境更加復(fù)雜，自然氣候環(huán)境變化頻繁，災(zāi)害天氣增加，對鐵路運(yùn)輸安全尤其是高鐵的運(yùn)行安全帶來影響。出于全面防護(hù)的考慮，技術(shù)人員研發(fā)出各種新技術(shù)，例如車載化探測裝置、高速攝像技術(shù)、GPS紅外線探測技術(shù)、微波無線探測等，廣泛應(yīng)用于定位和監(jiān)測，為鐵路安全允許提供了有效的防護(hù)和監(jiān)測手段。但是，各種單獨(dú)的技術(shù)都有其局限性，分別會受環(huán)境，人文，設(shè)備等因素的限制，沒有一種方法能完全解決鐵路特別是高鐵沿線的安全防護(hù)問題，而是需要靠各種手段的互補(bǔ)。世界各國鐵路都在大力發(fā)展無縫軌道，我國新建高速鐵路也多采用無縫軌道技術(shù)。無縫軌道的特點(diǎn)是鋼軌中間不留間際，但無縫鋼軌因熱脹冷縮所帶來的長度變化會產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力作用，特別是縱向溫度力，若鋼軌應(yīng)力散放控制得不好，天熱時可能會造成脹軌跑道，而天冷時會出現(xiàn)冷縮從而可能拉斷鋼軌的情況，如圖1所示。因此，自無縫軌道問世以來，軌溫監(jiān)測工作就被放到了一個非常重要的地位。目前，我國的鐵路軌溫監(jiān)測主要是靠人工定點(diǎn)定時測量完成。這種測溫方法所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度小，難以捕捉日、月、年內(nèi)的最高軌溫和最低軌溫；占用勞動力多、測量誤差大、實(shí)時性差，因此難以為鐵路工務(wù)作業(yè)提供及時、準(zhǔn)確、科學(xué)的決策依據(jù)。相應(yīng)地，近來光纖器件的快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用，特別是先進(jìn)的光纖光柵傳感器技術(shù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)測軌溫提供了可行性和便利性、以及經(jīng)濟(jì)性。已知，目前國際上還沒有用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)來監(jiān)控鐵路軌道溫度的案例。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)不足并且符合經(jīng)濟(jì)高效需求的用于監(jiān)測鐵路鋼軌軌溫的技術(shù)。根據(jù)本實(shí)用新型的一個方面，提供一種鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，用于采集與鐵路軌溫有關(guān)的信息，該信息采集系統(tǒng)包括:光纖光柵傳感器個體或者由其構(gòu)成的分布式陣列；和光纖光柵解調(diào)儀，其中所述光纖光柵解調(diào)儀與所說光纖光柵傳感器或由其構(gòu)成的陣列通過光纖光纜相連接；其中，所述傳感器個體或陣列設(shè)置在距離鋼軌上或者內(nèi)部，設(shè)置成接收所述光纖光柵解調(diào)儀發(fā)送的激光信號，用于測量鋼軌軌溫的變化，并將感測信號返回給所述光纖光柵解調(diào)儀。[0009]其中所述鋼軌為無縫鐵路軌道；所述光纖光柵傳感器為光纖光柵溫度傳感器。其中所述光纖光柵解調(diào)儀包括激光發(fā)射裝置，用于生成激光；和輸入輸出端口，用于將激光輸出到傳輸光纖中，所述傳輸光纖與光纖光柵傳感器相連接，激光經(jīng)光纖光柵傳感器反射后返回到所述光纖光柵解調(diào)儀。[0010]其中所述光纖光柵溫度傳感器設(shè)置成:附著在高熱膨脹材料附近，其受到軌溫變化的影響向光纖光柵溫度傳感器施加應(yīng)力；或者具有雙金屬結(jié)構(gòu)，所述兩種金屬具有不同的熱膨脹系數(shù)。所述光纖光柵傳感器陣列連接在多個分支光路中，每個分支光路通過光纜接續(xù)盒與主光纜連接，由主光纜將各個分路光纜連接到光纖光柵解調(diào)儀器上。[0011]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個方面，提供鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)，包括:[0012]信號接收裝置，用于接收來自如前所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)的信號，數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷單元，通過分析來確定:[0013]I)每個激光波長信號涉及哪個光纖光柵傳感器；[0014]2)所涉激光的波長的變化以及所代表的對應(yīng)溫度水平；[0015]3)所述溫度水平對應(yīng)的鋼軌溫度力，以及所述鋼軌溫度力是否達(dá)到預(yù)定程度。[0016]其中，所述系統(tǒng)包括存儲裝置，其中預(yù)先存儲:光纖光柵傳感器與特征波長之間的對應(yīng)關(guān)系；波長變化量和光纖光柵傳感器所測的溫度水平之間關(guān)系；溫度水平與鋼軌溫度力及危險(xiǎn)程度發(fā)生之間的對應(yīng)關(guān)系。[0017]其中數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷單元，還包括用于:確定是否對應(yīng)于一個或者幾個光柵光纖傳感器的波長信號消失；以及根據(jù)預(yù)定的邏輯規(guī)則，由此判斷是何處位置發(fā)生了光纖光柵傳感器損毀和/或哪條光纖光纜損毀。[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的又一個方面，提供鐵路軌溫監(jiān)測系統(tǒng)，包括:[0019]如前所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)；[0020]如前所述的鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)；[0021]報(bào)警系統(tǒng)，在所述鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)確定發(fā)生鋼軌軌溫變化超標(biāo)和/或達(dá)到預(yù)定程度的情況，以一種或多種方式發(fā)出報(bào)警信號和/或情報(bào)信息。[0022]所述鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)與所述鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)通過有線或者無線地方式遠(yuǎn)距離連接。[0023]優(yōu)選地，所述鐵路軌溫監(jiān)測系統(tǒng)包括一個或多個所述鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，以及所述一個或多個所述鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)向一個或多個所述鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)提供收集的信息。所述鐵路軌溫信息分析系統(tǒng)綜合多個所述鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)所收集的信息，確定道路沿線的多個監(jiān)測位置的軌溫情況。[0024]本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有的鐵路軌溫監(jiān)測系統(tǒng)具有安全性高、成本低廉、實(shí)時測量、便于統(tǒng)計(jì)分析等優(yōu)點(diǎn)。


[0025]圖1為溫度變化造成無縫鋼軌熱脹冷縮的原理的示意圖；[0026]圖2為溫度變化與鋼軌溫度力之間函數(shù)關(guān)系的示意圖；[0027]圖3為傳感器布置在鋼軌上用于測量其變化的示意圖；[0028]圖4為根據(jù)本實(shí)用新型的鐵路軌溫監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖，其中包括了鐵路軌溫信息采集分系統(tǒng)、鐵路軌溫信息分析分系統(tǒng)和報(bào)警分系統(tǒng)；圖5為根據(jù)本實(shí)用新型的鐵路軌溫信息分析分系統(tǒng)的邏輯過程的示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步地進(jìn)行詳細(xì)描述。根據(jù)前文所述，出于溫度變化造成的鐵軌熱脹冷縮需要被監(jiān)測，以確保鐵路運(yùn)行的安全。參照圖1所示，根據(jù)本實(shí)用新型的構(gòu)思，設(shè)置一種鐵路軌溫監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測鐵軌的溫度變化，并在達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)或程度時發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息，具體地應(yīng)該包括:鐵路軌溫監(jiān)測信息采集分系統(tǒng)、鐵路軌溫信息分析分系統(tǒng)和報(bào)警分系統(tǒng)。另外，所述系統(tǒng)還能夠分析較大時間跨度和/或較大地域跨度收集的軌溫變化信息。鐵路軌溫信息采集分系統(tǒng)如圖4所示，根據(jù)本實(shí)用新型的軌溫信息采集分系統(tǒng)包括:光纖光柵溫度傳感器分布式陣列，和光纖光柵解調(diào)儀。其中，所不傳感器分布式陣列包括多個光纖光柵傳感器，特例是僅僅包括一個該傳感器。所述的光纖光柵傳感器陣列可以是串聯(lián)連接，或者并聯(lián)連接，也可以并聯(lián)和串聯(lián)相結(jié)合的方式。例如，每個被測對象上可以設(shè)置一個傳感器，也可以設(shè)置幾個傳感器，并且多個被測對象上的傳感器經(jīng)過一定的方式連接。具體地，傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可如圖4所示，所述光纖光柵傳感器陣列連接在多個分支光路中，每個分支光路通過光纜接續(xù)盒與主光纜連接，由主光纜將各個分路光纜連接到光纖光柵解調(diào)儀器上。在本實(shí)用新型中，由所述光纖光柵解調(diào)儀向光纖光柵傳感器通過光纖光纜發(fā)送激光信號。一般地，解調(diào)儀發(fā)送預(yù)定的一束激光，包括多個預(yù)定波長的激光。按照預(yù)定設(shè)置，正常狀態(tài)下每個的光纖光柵傳感器反射特定波長的激光，而在外界影響的作用下光纖光柵傳感器反射的激光的波長發(fā)生了偏移或者是消失。所述解調(diào)儀通過比較反射回到解調(diào)儀的激光的波長變化來觀測各個傳感器的外部環(huán)境對其所產(chǎn)生的影響。其中，所述光纖光柵解調(diào)儀包括:激光發(fā)射裝置，用于生成激光束，和激光輸入輸出端口，用于將激光輸出到傳輸光纖光纜中，所述傳輸光纖與光纖光柵傳感器相連接，以傳遞激光。另外，所述光纖光柵解調(diào)儀包括激光解調(diào)裝置，用于解調(diào)被反射的激光信號。另外，所述光纖光柵解調(diào)儀包括還包括另外的數(shù)據(jù)輸出端口，用于向數(shù)據(jù)平臺，比如服務(wù)器傳輸采集的數(shù)據(jù)信息。其中，所述光纖光柵解調(diào)儀與光纖光柵傳感器陣列相對匹配地設(shè)置在某一局部待測環(huán)境中，所述解調(diào)儀設(shè)置在較為安全穩(wěn)定的位置。所述光纖光柵解調(diào)儀可以由外部電源來供電，或者是在外部電源掉電的情況下可由其自帶的電源來供電。光纖光柵溫度傳感器設(shè)置在鋼軌的內(nèi)部或者外部的預(yù)定位置，例如如圖3所示綁縛在鋼軌下端，或者嵌入預(yù)設(shè)的孔中。本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知的是，光纖光柵溫度傳感器的一般工作原理是:每個光纖光柵傳感器從激光源(比如解調(diào)儀)接收激光，并反射回特定波長的激光，反射的特征波長λ在1510-1590nm之間。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時,反射光的波長發(fā)生變化,通過測量溫度變化前后反射光波長的變化，就可以獲得溫度的變化情況。[0040]可選地，利用不銹鋼的良好的溫敏特性，可以通過測量不銹鋼在溫度變化下熱脹冷縮造成的應(yīng)變所產(chǎn)生的波長變化，來反向推導(dǎo)出溫度變化。特別地，傳感器可以包括不銹鋼的材料，其具有良好的熱傳導(dǎo)性，以感測外部溫度。具體地，每個傳感器都有特有的零度波長值，波長變化代表溫度變化，二者存在函數(shù)關(guān)系。例如，可以將溫度傳感器與鋼鋼軌接觸，從而測量其溫度?；蛘撸部梢苑墙佑|式地通過添加系數(shù)來模擬實(shí)際溫度值。具體地，可以利用光纖布拉格光柵(FBG)增敏溫度傳感器，其原理是:利用FBG對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把FBG和熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起，當(dāng)被測溫度變化時，通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG施加一個應(yīng)變量，使得FBG的返回波長變化量加大。根據(jù)本實(shí)用新型，基于以上原理的光纖布拉格光柵溫度傳感器大體上可分為幾種:一是，直接將FBG粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上，當(dāng)溫度升高時，高膨脹系數(shù)材料直接拉動FBG，使FBG的應(yīng)變加大，返回中心波長的變化量增加。第二、采用雙金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度增敏。溫度變化時，雙金屬結(jié)構(gòu)把2種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉(zhuǎn)化成FBG長度的變化量，從而提高FBG的溫度靈敏度。第三、利用光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性，設(shè)計(jì)制當(dāng)溫度變化時，材料A和材料B長度均變化，且A長度的變化量比B長度的變化量大得多，A、B長度的變化量的差值直接傳遞給了 FBG。當(dāng)FBG的應(yīng)變發(fā)生變化時，其返回波長會隨之發(fā)生變化。FBG的應(yīng)變量越大，返回波長變化量也就越大。因此，可以通過調(diào)整A和B的長度和選用不同熱膨脹系數(shù)的材料來控制FBG的應(yīng)變量，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測量。在本實(shí)用新型中，優(yōu)選地采用光纖光柵傳感器，但不局限于某一特定的類型，也不排除使用其他類型的傳感器的可能方案。假定當(dāng)鋼軌的軌溫發(fā)生變化時，會產(chǎn)生縱向(延軌道方向)溫度力。根據(jù)無縫鋼軌溫度力計(jì)算公式:P=E*f* α * Λ t其中P為鋼軌溫度力；E為鋼軌彈性模量，一般為2.l*105Mpa ；F為鋼軌斷面積；α為鋼軌膨脹系數(shù)，一般為11.8*10—7°C ; At為相對于零應(yīng)力軌溫的軌溫變化幅度，等于T-T0, T0為零應(yīng)力軌溫。由此，可以測得鋼軌溫度力P與軌溫變化之間呈函數(shù)曲線，如圖2所示。另外，進(jìn)一步地，返回波長的波長偏移量Λ λ與鋼軌溫度T之間存在函數(shù)關(guān)系，SP返回波長的偏移量是溫度T的函數(shù)，該關(guān)系式可以表示為:Δ λ i=f (Ti) (I)，其中i為傳感器的序號或編號。相應(yīng)地，Ti=F1(Δ Ai) (2)因此，波長變化與鋼軌溫度力之間間接地構(gòu)建了函數(shù)關(guān)系。通過檢測到的波長變化信息可以獲得鋼軌的溫度力，及其分布的情況。通過本實(shí)用新型的軌溫信息采集分系統(tǒng)，可以收集得到關(guān)于某位置或者某局部區(qū)域例如某乘務(wù)段發(fā)生的軌溫變化信息，體現(xiàn)為返回激光的波長變化信息。其中，如果得到某傳感器反射的激光的波長發(fā)生偏移且持續(xù)一定的時間段，這意味著該傳感器的位置出現(xiàn)了明顯的溫度變化。這就需要利用信息分析系統(tǒng)來分析上述信息采集系統(tǒng)所收集的信號，從而得出一定的結(jié)論。[0053]鐵路軌溫信息分析分系統(tǒng)[0054]根據(jù)本實(shí)用新型的原理，需要設(shè)置信息分析分系統(tǒng)來分析從上述信息采集分系統(tǒng)收集得到的信息。優(yōu)選地是，一個信息分析分系統(tǒng)可以分析來自眾多個所示信息采集分系統(tǒng)的信息。其中，用于信息分析的分系統(tǒng)可以通過有線方式比如光纜與信息采集分系統(tǒng)連接?？商鎿Q地是，也可以通過無線方式發(fā)送和傳遞信息，這可以借助于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。[0055]其中，所述信息分析分系統(tǒng)可以具體地實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)服務(wù)器，如圖2所示，其包括或者連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)本實(shí)用新型，所述信息分析分系統(tǒng)對信息采集系統(tǒng)，包括處理器，作為數(shù)據(jù)處 理和邏輯判斷單元，用于對解調(diào)儀發(fā)送的與傳感器波長變化有關(guān)的信息進(jìn)行分析和判斷，如圖5所示，包括以下步驟:[0056]步驟101:所涉波長確定是屬于哪個光纖光柵傳感器的信息。[0057]鑒于光纖光柵傳感器波長偏移的量與每個所述傳感器的特征波長相比較而言為很小的值，一般僅為一個或少數(shù)幾個納米的量，且變化后的波長一般與相鄰波段的傳感器特征波長也能夠很好的區(qū)分。這樣，確定波長信息后就可確定是對應(yīng)哪個光纖光柵傳感器的信息。[0058]其中，每個光柵光纖傳感器對應(yīng)的特征波長λ i及其可變范圍預(yù)先存儲在服務(wù)器中，或者根據(jù)預(yù)先確定的量來計(jì)算得出。[0059]表I
權(quán)利要求1.鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，用于采集與鐵路軌溫有關(guān)的信息，該鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)包括: 光纖光柵傳感器個體或者由其構(gòu)成的分布式陣列；和 光纖光柵解調(diào)儀，其中所述光纖光柵解調(diào)儀與所述光纖光柵傳感器或由其構(gòu)成的陣列通過光纖光纜相連接； 其中，所述傳感器個體或陣列設(shè)置在距離鋼軌上或者內(nèi)部，設(shè)置成接收所述光纖光柵解調(diào)儀發(fā)送的激光信號，用于測量鋼軌軌溫的變化，并將感測信號返回給所述光纖光柵解調(diào)儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，其中 所述鋼軌為無縫鐵路軌道； 所述光纖光柵傳感器為光纖光柵溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，其中所述光纖光柵解調(diào)儀包括激光發(fā)射裝置，用于生成激光；和輸入輸出端口，用于將激光輸出到傳輸光纖中，所述傳輸光纖與光纖光柵傳感器相連接，激光經(jīng)光纖光柵傳感器反射后返回到所述光纖光柵解調(diào)儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，其中所述光纖光柵溫度傳感器設(shè)置成: 附著在高熱膨脹材料附近，其受到軌溫變化的影響向光纖光柵溫度傳感器施加應(yīng)力；或者 具有雙金屬結(jié)構(gòu)，所述兩種金屬具有不同的熱膨脹系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，所述光纖光柵傳感器陣列連接在多個分支光路中，每個分支光路通過光纜接續(xù)盒與主光纜連接，由主光纜將各個分路光纜連接到光纖光柵解調(diào)儀器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)，其中所述光纖光柵解調(diào)儀對從所述光纖光柵傳感器反射回來的激光進(jìn)行解調(diào)處理，并得出反射激光的波長信號。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)。該鐵路軌溫信息采集系統(tǒng)包括光纖光柵傳感器個體或者由其構(gòu)成的分布式陣列；和光纖光柵解調(diào)儀，其中所述光纖光柵解調(diào)儀與所述光纖光柵傳感器或由其構(gòu)成的陣列通過光纖光纜相連接；其中，所述傳感器個體或陣列設(shè)置在距離鋼軌上或者內(nèi)部，設(shè)置成接收所述光纖光柵解調(diào)儀發(fā)送的激光信號，用于測量鋼軌軌溫的變化，并將感測信號返回給所述光纖光柵解調(diào)儀。
文檔編號G01K11/32GK202994327SQ201120546448
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者錢鴻治, 張植俊, 翟江蘭, 羅鵬, 劉單 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司